Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et optique

Cristaux plasmoniques : fabrication et couplage à des nanocristaux

La proximité d’une surface métallique permet d’obtenir des effets importants sur la fluorescence d’un nano-émetteur : exaltation de l’excitation et de l’émission par interférences, redirection de l’émission par effet miroir… Nous avons montré, par une étude sur des nanocristaux individuels à proximité (20-300 nm) d’une surface d’or, une augmentation d’un facteur 7 du taux de déclin du niveau émetteur d’un nanocristal, ainsi qu’une exaltation d’un facteur 2,5 de l’intensité lumineuse par nanocristal. Cependant, une part importante du déclin exalté correspond à la création de modes plasmons de surface, et ces modes ne sont pas radiatifs dans le cas d’une surface plane, si bien que l’énergie cédée aux plasmons est perdue du point de vue de l’émission lumineuse.

C’est pourquoi nous étudions actuellement le couplage de nanocristaux à des surfaces métalliques présentant un relief périodique (constituant donc des cristaux plasmoniques). La périodicité de ces structures doit permettre l’accord de phase entre le mode plasmonique et le mode photonique radiatif, afin de « récupérer » l’énergie perdue vers les modes plasmoniques. Nous avons mis en place une procédure de fabrication de surfaces métalliques périodiques basée sur les techniques d’auto-assemblage et d’opales. Un mode plasmonique a été mis en évidence sur ces structures ; sa relation de dispersion est en accord raisonnable avec la relation théorique donnée par la condition d’accord de phase. La fluorescence d’un ensemble de nanocristaux déposés sur ces surfaces présente un surplus d’émission de 15-20 % que nous attribuons à la « récupération » des modes plasmoniques ; nous avons développé une méthode originale pour estimer cette quantité, qui nous donne accès au taux d’extraction des plasmons.

Figure 1 : Gauche : échantillon de cristal plasmonique fabriqué à l’INSP (période : 400 nm). Droite : spectres de réflectivité spéculaire d’un cristal plasmonique (en polarisation p), à différents angles. On observe un creux, caractéristique de l’excitation, par le faisceau lumineux incident, d’un mode plasmonique.

 

Une étude des modes plasmoniques de ces structures a été effectuée par photo-emission electron microscopy (PEEM) en collaboration avec L. Douillard au CEA. La PEEM permet de cartographier la distribution du champ électrique excité optiquement à la surface d’un métal, avec une résolution spatiale de l’ordre de 25 nm. Nos mesures mettent en évidence différents modes plasmoniques (points chauds, SPP) ainsi que le couplage entre ces modes et le rôle du désordre dans la localisation des points chauds et dans le couplage de la lumière aux SPP (rôle de launchers).

 

Collaborations :

- Jean - Pierre Hermier au GEMAC (Versailles)

- Benoît Dubertret au LPEM (ESPCI, Paris)

- Ludovic Douillard et Fabrice Charra au CEA

 

Communications :

- H. Frederich, C. Lethiec, J. Laverdant, C. Schwob, T. Popescu, L. Douillard, L. Coolen et A. Maître, Plasmon excitation and induced emission with a plasmonic self-organized cristal, Advanced Architectures in Photonics (AAP 2014), Prague (Rép. Tchèque), 21-24 septembre 2014

- H. Frederich, C. Lethiec, J. Laverdant, C. Schwob, T. Popescu, L. Douillard, L. Coolen et A. Maître, Plasmon excitation and induced emission with a plasmonic self-organized cristal, International Conference on Nanoscience + Technology (ICN+T), Vail (Etats-Unis), 21-25 juillet 2014

- H. Frederich, C. Lethiec, J. Laverdant, C. Schwob, T. Popescu, L. Douillard, L. Coolen et A. Maître, Plasmon excitation and induced emission with a plasmonic self-organized cristal, 16th International Conference on Transparent Optical Networks ICTON 14, Graz (Autriche), 6-10 juillet 2014

- Hugo Frederich, Fangfang Wen, Julien Laverdant, Willy Daney de Marcillac, Catherine Schwob, Laurent Coolen et Agnès Maître, Determination of the surface plasmon polariton extraction efficiency from a self-assembled plasmonic crystal, Plasmonics DOI 10.1007/s11468-014-9697-0 (2014)

- Hugo Frederich, Clotilde Lethiec, Fangfang Wen, Julien Laverdant, Catherine Schwob, Traian Popescu, Ludovic Douillard, Laurent Coolen et Agnès Maître, Plasmon-induced emission and broadband absorption with a plasmonic crystal, Opto Photonics West (San Francisco 01-06 february 2014)

- H. Frederich, C. Lethiec, F. Wen, J. Laverdant, C. Schwob,T. Popescu, L. Douillard, L. Coolen, A. Maître, Broadband visible light absorption and plasmons emission through a self organized plasmonic crystal, Surface Plasmon Polariton 6, Ottawa (27-31 mai 2013)

- H. Frederich, C. Lethiec, F. Wen, J. Laverdant, C. Schwob, T. Popescu, L. Douillard, L. Coolen et A. Maître, Plasmon excitation and induced emission with a plasmonic self-organized crystal, Spie Photonics Europe (Bruxelles, 14-18 avril 2014)

- H. Frederich, F. Wen, J. Laverdant, L. Coolen, C. Schwob, W. Daney de Marcillac, A. Maître, Light-Plasmon coupling with a macroscopic plasmonic crystal, Journées de la Matière Condensée, Montpellier, août 2012

- Hugo Frederich, Fangfang Wen, Julien Laverdant, Laurent Coolen, Catherine Schwob et Agnès Maître, Coupling to a plasmonic crystal : broadband absorption and far field plasmons re-emission, International Conference on Nanoscience + Technology (ICN+T), Paris, 23-27 juillet 2012

- H. Frederich, F. Wen, J. Laverdant, L. Coolen, C. Schwob et A. Maître, Isotropic broadband absorption by a macroscopic self-organized plasmonic crystal, Opt. Express 19, 24424-24433 (2011).

- Céline Vion, Piernicola Spinicelli, Laurent Coolen, Catherine Schwob, Carlos Barthou, Paul Benalloul, Jean-Marc Frigerio, Jean-Pierre Hermier, et Agnès Maître, Interactions with surface plasmons : a way to control the fluorescence of single quantum dots, Nanophotonics, Conference 7712 - Proceedings of SPIE Volume 7712, Arc (Belgique), 12 - 16 Avril 2010

- Céline Vion, Piernicola Spinicelli, Laurent Coolen, Carlos Barthou, Jean-Marc Frigerio, Jean-Pierre Hermier et Agnès Maître, Controlled modification of Single colloidal CdSe/ZnS quantum dots fluorescence through interactions with gold surface plasmons, Opt. Express 18, 7440-7455 (2010)

- Céline Vion, Piernicola Spinicelli, Laurent Coolen, Catherine Schwob, Carlos Barthou, Paul Benalloul, Jean-Marc Frigerio, Jean-Pierre Hermier, Agnès Maître, Controlled fluorescence of single colloidal CdSe/ZnS quantum dots through interaction with gold surface plasmons, Fourth International Conference on Surface Plasmons Photonics (SPP4), Juin 21-26, 2009, Amsterdam, Pays-Bas.

- A Maître, C. Vion, P. Spinicelli, L. Coolen, J.-P. Hermier, Modification of the spontaneous emission of an emittor close to a gold interface, European Conference on Lasers and Electro-Optics and International Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-IQEC) (Munich, Allemagne, juin 2007)

- C. Vion, J.-M. Frigerio, A. Maître, P. Spinicelli, L. Coolen et J.-P. Hermier, Controlled modification of single colloidal CdSe/ZnS quantum dots fluorescence through interactions with gold surface plasmons, Spie Europe photonics (Strasbourg, avril 2008)